Семейство американских ракет «Сатурн» было разработано командой бывших немецких ракетных инженеров и ученых под руководством Вернера фон Брауна для запуска тяжелых полезных грузов на околоземную орбиту и за ее пределы. В качестве топлива на верхних ступенях семейство Сатурн использовало жидкий водород . Первоначально предложенные в качестве военной ракеты-носителя спутников, они были приняты в качестве ракет-носителей для лунной программы «Аполлон» . Были построены и летали три версии: средний Saturn I , тяжелый Saturn IB и сверхтяжелый Saturn V.
Имя Сатурн было предложено фон Брауном в октябре 1958 года как логическое продолжение ряда Юпитера , а также могущественного положения римского бога . [1]
В 1963 году президент Джон Ф. Кеннеди определил запуск Saturn I SA-5 как точку, в которой США по грузоподъемности превзойдут Советы после отставания со времен «Спутника» . В последний раз он упомянул об этом в речи, произнесенной на базе ВВС Брукс в Сан-Антонио за день до своего убийства. [2] : 128
На сегодняшний день «Сатурн-5» — единственная ракета-носитель, способная доставлять людей за пределы околоземной орбиты . Всего за четыре года с декабря 1968 по декабрь 1972 года на Луну было доставлено 24 человека. Ни одна ракета Сатурна не потерпела катастрофического отказа в полете. [3]
Здесь перечислены все ракеты семейства Сатурн по дате выпуска.
В начале 1950-х годов ВМС и армия США активно разрабатывали ракеты большой дальности с помощью немецких инженеров-ракетчиков, которые участвовали в разработке успешной Фау-2 во время Второй мировой войны. В число этих ракет входили «Викинг » ВМФ , а также «Капрал» , «Юпитер» и «Редстоун» армии . Тем временем ВВС США разрабатывали свои ракеты «Атлас» и «Титан» , больше полагаясь на американских инженеров.
Борьба между различными подразделениями была постоянной: Министерство обороны США (DoD) решало, какие проекты финансировать для развития. 26 ноября 1956 года министр обороны Чарльз Э. Уилсон издал меморандум, лишающий армию наступательных ракет с дальностью действия 200 миль (320 км) или более и передавая их ракеты «Юпитер» ВВС. [5] С этого момента ВВС станут основным разработчиком ракет, особенно ракет двойного назначения, которые также могут использоваться в качестве космических ракет- носителей . [5]
В конце 1956 года Министерство обороны опубликовало требование к тяжелому транспортному средству для вывода на орбиту нового класса спутников связи и «других» спутников ( программа спутников-шпионов была совершенно секретной ). Требования, составленные тогда еще неофициальным Агентством перспективных исследовательских проектов (ARPA), предусматривали создание транспортного средства, способного вывести на орбиту от 9 000 до 18 000 килограммов или разогнаться до космической скорости от 2 700 до 5 400 кг. [6]
Поскольку меморандум Вильсона касался только вооружений, а не космических аппаратов, Армейское агентство по баллистическим ракетам (ABMA) увидело в этом способ продолжить разработку собственных проектов больших ракет. В апреле 1957 года фон Браун поручил Хайнцу-Герману Келле , руководителю отдела проектирования будущих проектов, изучить специальные конструкции ракет-носителей, которые можно было построить как можно быстрее. Кёлле оценил различные проекты ракетных пусковых установок, которые могли бы вывести на орбиту максимум около 1400 кг, но могли быть увеличены до 4500 кг с помощью новых высокоэнергетических верхних ступеней. В любом случае эти верхние ступени будут доступны не раньше 1961 или 1962 года, а пусковые установки все равно не будут соответствовать требованиям Министерства обороны США к тяжелым нагрузкам. [7]
Чтобы удовлетворить прогнозируемую потребность в нагрузках 10 000 кг или более, команда ABMA подсчитала, что потребуется ускоритель (первая ступень) с тягой около 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), что намного больше, чем у любой существующей или планируемой ракеты. . [8] Для этой цели они предложили использовать несколько существующих ракет, сгруппированных вместе для создания одной более крупной ракеты-носителя; Используя существующие конструкции, они рассматривали возможность объединения резервуаров одного Юпитера в качестве центрального ядра с прикрепленными к нему восемью резервуарами диаметром Редстоун. [8] Эта относительно дешевая конфигурация позволила использовать существующие производственные и проектные мощности для создания этой «быстрой и грязной» конструкции. [8]
Были рассмотрены два подхода к созданию Супер-Юпитера; первый использовал несколько двигателей для достижения отметки в 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), второй использовал один двигатель гораздо большего размера. Оба подхода имели свои преимущества и недостатки. Создание двигателя меньшего размера для кластерного использования было бы путем относительно низкого риска на основе существующих систем, но требовало дублирования систем и значительно повышало вероятность отказа этапа (добавление двигателей обычно снижает надежность, согласно закону Люссера ). Один двигатель большего размера был бы более надежным и обеспечивал бы более высокую производительность, поскольку он устранял бы дублирование «собственного груза», такого как топливная система и гидравлика для управления двигателями. С другой стороны, двигатель такого размера никогда раньше не создавался, и его разработка была бы дорогой и рискованной. ВВС недавно выразили заинтересованность в таком двигателе, который впоследствии превратился в знаменитый F-1 , но в то время они стремились к мощности в 1 000 000 фунтов силы (4400 кН), и двигатели не были готовы до середины 1960-х годов. Комбинация двигателей оказалась единственным способом удовлетворить требования в срок и в рамках бюджета. [7]
«Супер-Юпитер» был только ракетой-носителем первой ступени; для вывода полезной нагрузки на орбиту потребуются дополнительные верхние ступени. ABMA предложила использовать в качестве второй ступени «Титан» или «Атлас», [9] опционально с новой верхней ступенью «Кентавр» . [10] «Кентавр» был предложен компанией General Dynamics (Astronautics Corp.) в качестве верхней ступени для «Атласа» (также их конструкции), чтобы быстро создать пусковую установку, способную размещать грузы массой до 8500 фунтов (3900 кг) на низкой Земле. орбита. [11] Centaur был основан на той же концепции «баллонного бака», что и Atlas, и построен на тех же приспособлениях и с тем же диаметром 120 дюймов (3000 мм). Поскольку «Титан» был намеренно построен такого же размера, это означало, что «Кентавр» мог использоваться с любой ракетой. [ нужна цитата ] Учитывая, что «Атлас» был более приоритетным из двух проектов межконтинентальных баллистических ракет и его производство было полностью учтено, ABMA сосредоточилось на «резервной» конструкции «Титан», хотя они предлагали увеличить его длину, чтобы нести дополнительное топливо. [ нужна цитата ]
В декабре 1957 года ABMA представила Министерству обороны «Предложение: Национальная комплексная программа разработки ракет и космических аппаратов» , подробно описав свой кластерный подход. [12] Они предложили ракету-носитель, состоящую из планера ракеты «Юпитер», окруженного восемью «Редстоунами», выполняющими роль резервуара, упорной пластиной внизу и четырьмя двигателями Rocketdyne E-1 , каждый из которых имел тягу 380 000 фунтов силы (1700 кН). Команда ABMA также оставила конструкцию открытой для будущего расширения с помощью одного двигателя мощностью 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), что потребует относительно небольших изменений в конструкции. Разгонной ступенью служил удлиненный «Титан» с «Кентавром» наверху. В результате получилась очень высокая и тонкая ракета, сильно отличавшаяся от появившегося в итоге Сатурна.
Конкретное использование было прогнозировано для каждой военной службы, включая навигационные спутники для ВМФ; спутники разведки, связи и метеорологические спутники для армии и авиации; поддержка миссий с экипажем ВВС; и наземное логистическое обеспечение армии на расстояниях до 6400 км. Планировалось, что разработку и испытания блока нижней ступени будут завершены к 1963 году, примерно в то же время, когда «Кентавр» должен стать доступным для совместного тестирования. Общая стоимость разработки в 850 миллионов долларов в период с 1958 по 1963 год покрыла 30 исследовательских и опытно-конструкторских полетов. [13]
Пока разрабатывалась программа «Супер-Юпитер», шла подготовка к запуску первого спутника в качестве вклада США в Международный геофизический год в 1957 году. По сложным политическим причинам программа была передана ВМС США в рамках проекта «Авангард» . Пусковая установка «Авангард» состояла из нижней ступени «Викинг» в сочетании с новыми верхними, адаптированными на основе зондирующих ракет . ABMA оказала ценную поддержку «Викингу» и «Авангарду», как своими непосредственными знаниями о Фау-2, так и разработкой ее системы наведения. Первые три суборбитальных испытательных полета «Вэнгарда» прошли без сучка и задоринки, начиная с декабря 1956 года, а запуск планировался на конец 1957 года.
4 октября 1957 года Советский Союз удивил мир запуском Спутника-1 . Хотя были некоторые признаки того, что Советы работали над достижением этой цели, мало кто в военном и научном истеблишменте США серьезно относился к этим усилиям.
Когда в ноябре 1954 года его спросили о возможности запуска Советом спутника, министр обороны Вильсон ответил: «Мне было бы все равно, если бы они это сделали». [14] Однако общественность восприняла это иначе, и это событие стало крупной пиар-катастрофой для США. Планировалось, что запуск «Авангарда» состоится вскоре после запуска «Спутника», но из-за ряда задержек запуск был перенесен на декабрь, когда ракета взорвалась впечатляющим образом. Пресса была резкой, называя проект «Капутник» [15] или «Проект «Арьергард». [14] Как тогда заметил журнал Time :
Фон Браун отреагировал на запуск «Спутника-1», заявив, что сможет вывести спутник на орбиту в течение 90 дней после получения разрешения. Его план состоял в том, чтобы объединить существующую ракету «Юпитер С» (что сбивает с толку, адаптацию «Редстоуна», а не «Юпитера») с твердотопливными двигателями «Авангарда», создав « Юнону I» . Немедленного ответа не последовало, пока все ждали запуска «Авангарда», но продолжающиеся задержки «Авангарда» и ноябрьский запуск «Спутника-2» привели к тому, что в том же месяце было дано добро. Фон Браун сдержал свое обещание, запустив «Эксплорер I» 1 февраля 1958 года. [16] Наконец, «Авангард» добился успеха 17 марта 1958 года. [17]
Обеспокоенное тем, что Советы продолжают удивлять США технологиями, которые, казалось, превосходят их возможности, Министерство обороны изучило проблему и пришло к выводу, что она носит преимущественно бюрократический характер. Поскольку все виды вооруженных сил имели свои собственные программы исследований и разработок, наблюдалось значительное дублирование и борьба между службами за ресурсы. Что еще хуже, Министерство обороны ввело свои собственные византийские правила закупок и заключения контрактов, что привело к значительным накладным расходам. Чтобы решить эти проблемы, Министерство обороны инициировало формирование новой группы исследований и разработок, ориентированной на ракеты-носители и наделенной широкими дискреционными полномочиями, которые выходят за рамки традиционных линий армии/флота/ВВС. Группе была поручена задача как можно быстрее догнать Советский Союз в космических технологиях, используя любые доступные технологии, независимо от их происхождения. Официально созданная 7 февраля 1958 года как Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA), группа изучила требования Министерства обороны к пусковой установке и сравнила различные подходы, которые были доступны в настоящее время.
В то время, когда ABMA разрабатывала предложение по Супер-Юпитеру, ВВС работали над концепцией Титана С. ВВС получили ценный опыт работы с жидким водородом в проекте самолета-разведчика Lockheed CL-400 Suntan и были уверены в своей способности использовать это летучее топливо для ракет. Они уже приняли аргументы Крафта Эрике о том, что водород является единственным практичным топливом для верхних ступеней, и начали проект «Кентавр», основываясь на силе этих аргументов. Титан C представлял собой промежуточную ступень, работающую на водороде, которая обычно располагалась между нижним Титаном и верхним «Кентавром» или могла использоваться без «Кентавра» для низкоорбитальных ракет, таких как Dyna-Soar . Однако, поскольку водород гораздо менее плотен, чем «традиционное» топливо, которое тогда использовалось, особенно керосин , верхняя ступень должна была быть довольно большой, чтобы вместить достаточно топлива. Поскольку «Атлас» и «Титан» имели диаметр 120 дюймов, имело бы смысл построить и «Титан С» такого же диаметра, но в результате получилась бы громоздкая, высокая и тонкая ракета с сомнительной прочностью и устойчивостью. Вместо этого «Титан С» предложил построить новая ступень большего диаметра (160 дюймов), а это означает, что это будет совершенно новая ракета.
Для сравнения, конструкция «Супер-Юпитера» основывалась на готовых компонентах, за исключением двигателей Е-1. Хотя для полетов на большие высоты ракета также полагалась на «Кентавр», ракету можно было использовать и на низкой околоземной орбите без «Кентавра», что давало некоторую гибкость на случай, если у «Кентавра» возникнут проблемы. ARPA согласилось, что предложение Juno с большей вероятностью уложится в требуемые сроки, хотя они считали, что нет веских причин для использования E-1, и рекомендовали здесь также подход с меньшим риском. ABMA ответила новой конструкцией Juno V (как продолжение серий ракет Juno I и Juno II , тогда как Juno III и IV представляли собой недостроенные концепции, заимствованные из Atlas и Titan), которая заменила четыре двигателя E-1 на восемь H-1 , гораздо более скромная модернизация существующего S-3D, уже используемого на ракетах «Тор» и «Юпитер», с увеличением тяги со 150 000 до 188 000 фунтов силы (с 670 до 840 кН). Было подсчитано, что такой подход позволит сэкономить до 60 миллионов долларов на разработке и сократить время на исследования и разработки на целых два года. [18]
Довольный результатами редизайна, 15 августа 1958 года ARPA издало приказ номер 14-59, в котором ABMA призывалось:
За этим последовал 11 сентября 1958 года еще один контракт с Rocketdyne на начало работ над H-1. 23 сентября 1958 года ARPA и Армейское артиллерийско-ракетное командование (AOMC) составили дополнительное соглашение, расширяющее рамки программы, в котором говорилось: «В дополнение к динамической стрельбе по принуждению... настоящим решено, что эта программа теперь должна быть продлен, чтобы обеспечить летные испытания этой ракеты-носителя примерно к сентябрю 1960 года». Кроме того, они хотели, чтобы ABMA произвела три дополнительных ускорителя, последние два из которых будут «способны выводить на орбиту ограниченную полезную нагрузку». [20]
К этому моменту многие в группе ABMA уже называли этот дизайн Сатурном, поскольку фон Браун объяснил это ссылкой на планету после Юпитера. [21] Изменение названия стало официальным в феврале 1959 года. [22]
Помимо ARPA, различные группы в правительстве США рассматривали возможность создания гражданского агентства по исследованию космоса. После запуска «Спутника» эти усилия приобрели актуальность и были быстро продвинуты вперед. НАСА было образовано 29 июля 1958 года и сразу же приступило к изучению проблемы пилотируемых космических полетов, а также ракет-носителей, необходимых для работы в этой области. Одной из целей, даже на этом раннем этапе, была пилотируемая лунная миссия. В то время группы НАСА считали, что профиль миссии прямого подъема является лучшим подходом; это вывело на орбиту один очень большой космический корабль, который был способен долететь до Луны , приземлиться и вернуться на Землю. Для запуска такого большого космического корабля потребуется новый ускоритель гораздо большей мощности; даже Сатурн был недостаточно большим. НАСА начало изучать ряд потенциальных проектов ракет в рамках своей программы Nova .
НАСА было не единственным, кто изучал пилотируемые лунные миссии. Фон Браун всегда проявлял интерес к этой цели и некоторое время изучал, что потребуется для лунной миссии. Проект Horizon компании ABMA предлагал использовать пятнадцать запусков Сатурна для перевозки компонентов космического корабля и топлива, которые будут собраны на орбите для создания одного очень большого лунного корабля. Этот профиль миссии по сближению на околоземной орбите требовал наименьшего количества ракеты-носителя на один запуск и, таким образом, мог быть выполнен с использованием существующей конструкции ракеты. Это будет первый шаг к созданию небольшой базы с экипажем на Луне, для снабжения которой потребуется несколько дополнительных запусков Сатурна каждый месяц.
В 1958 году ВВС также начали свой проект «Лунекс» , также с целью построить пилотируемый лунный аванпост. Как и НАСА, «Люнекс» предпочитал режим прямого всплытия и поэтому требовал гораздо более мощных ускорителей. В рамках проекта они разработали совершенно новую серию ракет, известную как Space Launcher System , или SLS (не путать с Space Launch System, частью программы Artemis ), которая сочетала в себе ряд твердотопливных ускорителей с либо ракета «Титан» или новая специальная ускорительная ступень, рассчитанная на широкий спектр стартовых весов. Самая маленькая машина SLS состояла из Титана и двух навесных твердых тел, что придавало ей характеристики, аналогичные Титану C, и позволяло ей выступать в качестве пусковой установки для Dyna-Soar. Самый крупный из них использовал для своего прямого подъема твердотопливные ракеты гораздо большего размера и значительно увеличенный ускоритель. Комбинации между этими крайностями будут использоваться для запуска других спутников.
Правительственная комиссия, «Комитет по оценке транспортных средств Сатурна» (более известный как Комитет Сильверстайна ), была собрана, чтобы рекомендовать конкретные направления, которые НАСА могло бы предпринять в рамках существующей армейской программы. Комитет рекомендовал разработку новых верхних ступеней, работающих на водороде, для «Сатурна» и наметил восемь различных конфигураций тяжелых ускорителей: от решений с очень низким уровнем риска, интенсивно использующих существующие технологии, до конструкций, основанных на аппаратном обеспечении, которое еще не было разработано. еще не разработан, включая предлагаемую новую верхнюю ступень. Конфигурации были:
Контракты на разработку нового двигателя, работающего на водороде, были переданы компании Rocketdyne в 1960 году, а на разработку ступени Saturn IV - компании Douglas в том же году.
Задача, которую президент Джон Ф. Кеннеди поставил перед НАСА в мае 1961 года — отправить астронавта на Луну к концу десятилетия, внезапно придала новую актуальность программе Сатурна. В этом году наблюдался всплеск активности по оценке различных способов достижения Луны.
Для миссии были оценены ракеты «Нова» и «Сатурн», которые имели схожую конструкцию и могли иметь некоторые общие части. Однако было сочтено, что Сатурн будет легче запустить в производство, поскольку многие компоненты были разработаны для транспортировки по воздуху. Нове потребуются новые заводы для всех основных этапов, и существовали серьезные опасения, что они не смогут быть завершены вовремя. Сатурну требовался только один новый завод для самой крупной из предложенных нижних ступеней, и он был выбран в первую очередь по этой причине.
Saturn C-5 (позже получивший название Saturn V ), самая мощная из конфигураций комитета Сильверстайна, была выбрана как наиболее подходящая конструкция. В то время режим миссии не был выбран, поэтому они выбрали самую мощную конструкцию ускорителя, чтобы гарантировать достаточную мощность. [24] Выбор метода сближения на лунной орбите снизил требования к стартовой массе ниже, чем у «Новой», в диапазоне C-5.
Однако на тот момент все три ступени существовали только на бумаге, и было понятно, что весьма вероятно, что настоящий лунный космический корабль будет разработан и готов к испытаниям задолго до запуска ракеты-носителя. Поэтому НАСА решило также продолжить разработку C-1 (позже Saturn I ) в качестве испытательной машины, поскольку его нижняя ступень была основана на существующей технологии ( резервуар Redstone и Jupiter ), а ее верхняя ступень уже находилась в разработке. Это обеспечит ценные испытания для S-IV, а также станет пусковой платформой для капсул и других компонентов на низкой околоземной орбите.
Фактически построенными членами семейства Saturn были:
.jpg/1280px-Saturn_C-1,_1959_(cropped).jpg){kind=small}
